Die zunehmende Elektrifizierung industrieller Anlagen verändert, wie Werke geplant, betrieben und erweitert werden. Elektrische Infrastruktur kann nicht länger als separate Versorgungsebene neben der Produktionsautomatisierung betrachtet werden. Hitachi Energy und Rockwell Automation haben diesen Wandel erkannt und eine Zusammenarbeit angekündigt, die sich auf eine integrierte Netz-bis-Prozess-Architektur konzentriert, welche die elektrische Energieinfrastruktur mit den Automatisierungs- und digitalen Systemen verbindet, die für die Produktion verantwortlich sind.
Von separaten Systemen zu einer Netz-bis-Prozess-Architektur
Traditionell wurden Stromverteilung, Spannungsqualität, Schutz, Energiemanagement, Prozesssteuerung und Produktionsautomatisierung häufig als separate Fachgebiete geplant. Dieser Ansatz kann zu Grenzen zwischen den Systemen führen, die Energie bereitstellen, und denen, die sie verbrauchen.
Der vorgeschlagene Ansatz von Hitachi Energy und Rockwell Automation geht in Richtung einer stärker koordinierten Architektur. Er vereint Fachwissen in den Bereichen Netzanbindung, Spannungsqualität, Schutz und Steuerung, Energiemanagement, Prozessautomatisierung und digitaler Betrieb.
Aus technischer Sicht besteht der Nutzen dieses Konzepts nicht einfach darin, mehr Systeme in dasselbe Netzwerk einzubinden. Die wesentlichere Veränderung liegt in der Möglichkeit, elektrische Bedingungen und Produktionsanforderungen in dasselbe Planungs- und Betriebsmodell einzubeziehen.
Warum Elektrifizierung zunehmend eine Produktionsfrage ist
Die industrielle Elektrifizierung hängt immer stärker mit der Produktionskapazität zusammen, statt ausschließlich als Energie- oder Nachhaltigkeitsprojekt betrachtet zu werden.
Ein höherer Strombedarf kann sich auf die Kapazität von Umspannwerken, die Verteilungsarchitektur, die Spannungsqualität, die Schutzkoordination, Motorsysteme, Antriebe und die Verfügbarkeit von Produktionsanlagen auswirken. Gleichzeitig können Änderungen an Produktionsprozessen die elektrische Belastung und die Betriebsanforderungen unmittelbar verändern.
Dadurch entsteht eine wechselseitige Beziehung: Das elektrische System beeinflusst die Produktion, während die Produktion bestimmt, wie das elektrische System geplant und betrieben werden muss.
Eine Netz-bis-Prozess-Architektur kann daher einen gemeinsamen Rahmen bieten, um diese Abhängigkeiten während der Planung, Inbetriebnahme und des Anlagenbetriebs zu berücksichtigen.
Bergbau und Metallindustrie als erster Anwendungsbereich
Bergbau und Metallindustrie bilden den anfänglichen Schwerpunkt der Zusammenarbeit. Dieser Sektor zeigt deutlich, warum elektrische Infrastruktur und Automatisierung gemeinsam betrachtet werden müssen.
Prozesse wie Zerkleinern, Mahlen, Fördern und die Aufbereitung von Mineralien verbrauchen beträchtliche Mengen elektrischer Energie. Eine Unterbrechung oder Verschlechterung der Spannungsqualität kann sich folglich auf die Anlagenauslastung, die Produktionskontinuität und die Betriebskosten auswirken.
Bergbauunternehmen stehen zudem unter Druck, ihre Kapazitäten auszubauen und gleichzeitig bestehende Anlagen zu modernisieren. Die Elektrifizierung bringt eine weitere technische Variable in Projekte ein, die bereits durch Kapital-, Infrastruktur- und Inbetriebnahmevorgaben eingeschränkt sind.
Die Unternehmen verweisen auf Analysen, denen zufolge die Wachstumsinvestitionen für neue Bergbaukapazitäten im nächsten Jahrzehnt rund 1 Billion US-Dollar erreichen könnten.
Spannungsqualität ist Teil der Automatisierungsleistung
Ein wichtiger technischer Aspekt ist die Spannungsqualität.
Automatisierungsingenieure konzentrieren sich häufig auf die Verfügbarkeit von Steuerungen, Netzwerkredundanz, E/A-Leistung, Instrumentierung und Steuerungslogik. Diese Systeme sind jedoch letztlich von einer elektrischen Infrastruktur abhängig, die eine angemessene Spannungsqualität, Schutz und Versorgungskontinuität gewährleisten muss.
Große Motoren, drehzahlvariable Antriebe, Umrichter und andere leistungselektronische Geräte können elektrische Störungen verursachen oder anspruchsvolle Lastprofile erzeugen. Umgekehrt können instabile elektrische Bedingungen auf Automatisierungsanlagen und Produktionsprozesse übergreifen.
Die Integration von Informationen zur Spannungsqualität mit Automatisierungs- und Betriebsdaten kann daher einen umfassenderen Einblick in die Anlagenleistung ermöglichen.
Schutz und Steuerung brauchen einen besseren Betriebskontext
Schutzsysteme arbeiten traditionell auf Grundlage elektrischer Parameter und vordefinierter Schutzkonzepte. Die Prozessautomatisierung hingegen reagiert auf Produktionsbedingungen und Anlagenzustände.
Eine stärkere Integration dieser Bereiche könnte Betriebsteams dabei helfen, elektrische Ereignisse im Kontext der Produktionsanlagen zu verstehen. So kann eine elektrische Störung nicht nur als Schutzereignis bewertet werden, sondern auch danach, welche Produktionssysteme betroffen waren, wie sich die Anlagenauslastung verändert hat und ob die Produktion wieder hochgefahren werden muss.
Dadurch entfällt nicht die Notwendigkeit unabhängiger Schutzfunktionen. Vielmehr entsteht die Möglichkeit eines besseren Informationsaustauschs zwischen Schutzsystemen, elektrischer Steuerung, Prozessautomatisierung und übergeordneten Systemen.
Digitaler Betrieb schafft die Verbindungsebene
Im laufenden Betrieb einer Industrieanlage kann die Kombination von Elektrifizierung, Automatisierung und digitalen Technologien Informationen zum Energieverbrauch, zur Produktionsleistung und zur Anlagenauslastung liefern.
Diese Informationen können die Betriebsanalyse unterstützen und eine Grundlage dafür schaffen, Zusammenhänge zwischen elektrischer Belastung und Produktionsverhalten zu erkennen.
Meiner Ansicht nach ist dies einer der praktischeren Aspekte der Zusammenarbeit. Die digitale Integration ist besonders nützlich, wenn sie zuvor isolierte technische Daten in Informationen umwandelt, auf deren Grundlage Bediener und Wartungsteams handeln können. Allein das Sammeln weiterer Daten verbessert eine Anlage nicht, solange diese Daten nicht mit Anlagenzuständen, Produktionsanforderungen und betrieblichen Entscheidungen verknüpft sind.
Planung für künftige Kapazitäten
Elektrische Systeme in Industrieanlagen sind selten statisch. Die Produktionskapazität kann steigen, zusätzliche Antriebe können installiert, neue Prozessanlagen eingebunden und künftig alternative Energiequellen in die Anlage integriert werden.
Wenn elektrische Systeme und Automatisierungssysteme unabhängig voneinander geplant werden, kann eine spätere Erweiterung schwieriger werden, da jede Änderung Anpassungen in mehreren technischen Bereichen erforderlich machen kann.
Eine koordinierte Architektur kann stattdessen eine skalierbare Grundlage für zusätzliche Produktionskapazitäten, eine stärkere Elektrifizierung und die Integration neuer Energiequellen schaffen.
Dies ist besonders für Bergbauprojekte relevant, bei denen die Infrastruktur im Laufe der Betriebsdauer der Anlage möglicherweise erhebliche Veränderungen berücksichtigen muss.
Der technische Nutzen: weniger Grenzen
Das stärkste technische Argument für die Zusammenarbeit ist der Abbau von Grenzen zwischen Elektrotechnik und Automatisierungstechnik.
Eine moderne Industrieanlage kann Mittel- und Niederspannungsverteilung, Schutz- und Steuerungseinrichtungen, Motoren und Antriebe, SPS- oder DCS-Systeme, industrielle Netzwerke, Instrumentierung, Energiemanagementplattformen und Anwendungen zur Anlagenüberwachung umfassen. Diese Systeme wirken bereits physisch zusammen, auch wenn sie unabhängig voneinander geplant und verwaltet werden.
Das Netz-bis-Prozess-Konzept trägt diesem physischen Zusammenspiel Rechnung und soll einen stärker koordinierten technischen und betrieblichen Rahmen schaffen.
Für Projektteams könnte dies die Koordination bei Systemplanung, Inbetriebnahme, Fehlerbehebung und künftigen Erweiterungen verbessern.
Über Bergbau und Metallindustrie hinaus
Obwohl Bergbau und Metallindustrie zunächst im Fokus stehen, lassen sich dieselben technischen Grundsätze auch auf andere energieintensive Branchen anwenden.
Fertigungsbetriebe, Rechenzentren, Chemieanlagen, Verkehrsinfrastruktur und andere große Industriestandorte sind zunehmend auf eine hohe Verfügbarkeit elektrischer Energie und präzise gesteuerte Produktionsprozesse angewiesen.
Mit zunehmender Elektrifizierung wird die Unterscheidung zwischen „Stromversorgungssystem“ und „Produktionssystem“ aus betrieblicher Sicht immer weniger sinnvoll.
Bedeutung für die industrielle Automatisierung
Die Zusammenarbeit von Hitachi Energy und Rockwell Automation spiegelt eine breitere Entwicklung im industriellen Anlagenbau wider: Die elektrische Infrastruktur wird zu einem immer sichtbarer werdenden Faktor für die Produktionsleistung.
Die langfristige Chance besteht nicht einfach darin, Stromversorgungsanlagen mit Automatisierungsnetzwerken zu verbinden. Vielmehr geht es darum, eine Architektur zu schaffen, in der elektrische Bedingungen, Produktionsanforderungen, Anlagenauslastung und Energieverbrauch gemeinsam betrachtet werden können.
Für Automatisierungsingenieure in der Industrie bedeutet dies, dass künftige Anlagenarchitekturen wahrscheinlich eine engere Abstimmung zwischen Stromverteilung, Schutz, Antrieben, SPS-/DCS-Plattformen, industriellen Netzwerken, Energiemanagement und digitalem Betrieb erfordern werden.
Das praktische Ergebnis hängt davon ab, wie die Unternehmen das Konzept in konkrete Architekturen und industrielle Anwendungen umsetzen. Die technische Richtung ist jedoch klar: Mit der zunehmenden Elektrifizierung industrieller Prozesse müssen Elektrotechnik und Automatisierungstechnik immer häufiger als Teile desselben Systems geplant werden.
